Станом для будь-якого атома з Е min відповідає "завершена зовні" електронна оболонка (для атомів 1 го періоду Н і Нє - це два електрона, для всіх інших елементів вісім електронів, - правило октету).способів досягнення Е min у атомів кілька.
Схема освіти іонної зв'язку
Використовуються два способи досягнення атомами стану з Е min:
(А) прийом електронів, яких бракує до завершення зовнішнього шару електронної оболонки;
(Б) віддача зовнішніх електронів для "оголення" раніше завершеного предвнешнего шару електронної оболонки.
Обидва способи досягнення атомами Е minреалізуються одночасно при виникненні іонної зв'язку:
В результаті передачі електрона від атома Na атому Cl обидва атома придбали Е min
(8 електронів "зовні" у кожного). Тепер атоми стали протилежно зарядженими іонами, які притягуються один до одного електростатично, - іонна зв'язок.
ковалентний зв'язок
Третій спосіб досягнення атомами Е min - усуспільнення електронів з'єднуються атомів з одночасною добудовою електронних оболонок з'єднуються атомів.
Між соединяющимися атомами виникають загальні електронні пари, що знаходяться в спільному користуванні обох атомів. У підсумку відразу кілька атомів досягли Е min (Тут 2 електрона у атома Н і 8 електронів у атома С).
Загальні (зв'язують) електронні пари - ковалентний зв'язок , - головний вид зв'язку в органічній хімії.
Зв'язки між органогенних елементами можуть бути як прості (одинарні), так і кратні (подвійні або потрійні, здійснювані, відповідно, двома або трьома загальними електронними парами).
Таке, хоча і дуже спрощене, уявлення про ковалентного зв'язку з позицій ПМ зручно використовувати для обговорення (пояснення) способів розриву і утворення зв'язків, механізмів і типів органічних реакцій.
Для пояснення структури молекул а, отже, і їх хімічних властивостей ПМ недостатня. Структура молекул може бути пояснена тільки з позицій квантово-механічної моделі будови атома.
З позицій КММ хімічний зв'язок - це перекривання орбіталей з'єднуються атомів з утворенням між їх ядрами областей підвищеної електронної щільності.
Способів перекривання орбіталей - два:
1) "лобове" перекривання (s - зв'язок);
2) "бічне" перекривання (p - зв'язок).
s - зв'язок (сигма - зв'язок)
 |
В освіті s - зв'язку можуть брати участь атомні орбіталі всіх типів - і прості (s- і p-), і гібридні (sp, sp 2 та sp 3). Область підвищеної електронної щільності (область перекривання) лежить на лінії зв'язку (уявної лінії, що з'єднує центри атомів) - рис.8.
схеми освітиs - зв'язку перекриванням орбіталей різного типу
p - зв'язок (пі-зв'язок)
В освіті p - зв'язку можуть брати участь тільки симетричні негібридних р - орбіталі * з'єднуються атомів, орієнтовані вздовж паралельних осей простору.
При цьому способі перекривання орбіталей область підвищеної електронної щільності (область перекривання) не лежить на лінії зв'язку.
Важливо при цьому підкреслити, що p - зв'язок - це не подвійний зв'язок, це такий спосіб перекривання орбіталей. p - зв'язок - одинарна, утворена однією спільною електронної парою (як і s) ковалентний зв'язок. Але p - електрони перебувають на периферії молекули і в першу чергу піддаються "атаці" реагенту. Крім того p - зв'язок менш міцна, ніж s - зв'язок, а тому з'єднання з p - зв'язком мають підвищену реакційною здатністю.
* В освіті p - зв'язків можуть також брати участь і d - орбіталі (тут не розглядаються).
кратні зв'язку
З позицій КММ кратна зв'язок - це одночасне наявність s - і p - зв'язків між двома атомами.
Якщо між атомами є хімічний зв'язок, - s-зв'язок є завжди. Подвійний зв'язок - це одна s - і одна p - зв'язку (див. Рис.11). Потрійна зв'язок - це одна s - і дві p - зв'язку (див. Рис.12). При зображенні структурних формул s - і p - зв'язку показують однаковими валентними штрихами. Важливо при цьому пам'ятати про різну природу s - і p - зв'язків.
Структура і моделі молекул
а) порядок зв'язку атомів в молекулі ( "хто з ким" пов'язаний);
б) характер взаємного розташування атомів в просторі один відносно одного;
в) типи зв'язків між атомами.
структуроутворюючої є s - зв'язок , Оскільки вона спрямована.
Спрямованість s - зв'язку виражається в тому, що кілька атомів, пов'язаних з одним і тим же (центральним) атомом молекули, розташовуються в просторі строго за напрямками орієнтації гібридних орбіталей центрального атома.
Вуглець в першому валентних станів (sp 3). (Н - С) - зв'язку - s (sp 3 - s). Атоми Н розташовуються за напрямками орієнтації гібридних sp 3 - орбіталей атома С. Молекула об'ємна.
Структура (а) і модель (б) молекули етилену С 2 Н 4.
 |
Вуглець в другому валентних станів (sp 2). Атоми Н розташовуються за напрямками орієнтації гібридних sp 2 - орбіталей вуглецю. Всі шість атомів молекули С 2 Н 4 лежать в одній площині (ХУ). Молекула етилену - плоска. Між атомами вуглецю - дві зв'язку: 1) s (sp 2 - sp 2) і 2) p (р z - р z). Між атомами вуглецю і водню 4 s (sp 2 - s) зв'язку.
Структура (а) і модель (б) молекули ацетилену З 2 Н 2.
Вуглець в третьому валентних станів (sp) .Атоми Н розташовуються за напрямками орієнтації гібридних sp - орбіталей вуглецю; всі чотири атома молекули лежать на одній лінії, - молекула ацетилену лінійна. Між атомами вуглецю три зв'язку: 1) s (sp - sp), 2) p (р z - р z) і 3) p (р y - р y). Між атомами вуглецю і водню 2 s (sp - s) зв'язку.
4. Природа і типи хімічного зв'язку. ковалентний зв'язок
4.5. Типи ковалентного зв'язку
При утворенні ковалентного зв'язку АТ можуть перекриватися по-різному, тому розрізняють ковалентні зв'язку σ- і π-типу.
У разі зв'язку σ-зв'язку АТ перекриваються вздовж лінії, що з'єднує ядра атомів (осьовий перекривання):
При утворенні зв'язку π-типу перекривання AO здійснюється поза лінією, що з'єднує ядра атомів (бокове перекривання):
Зв'язки π-типу утворюються за участю р - або d-АТ; за участю s -AO можуть утворюватися зв'язку тільки σ-типу.
Розрізняють одинарні (прості) і кратні зв'язку.
Одинарна зв'язок - це зв'язок, утворена однією парою електронів. Як правило, це σ-зв'язок.
Кратними називаються подвійні і потрійні зв'язки, тобто зв'язку, утворені відповідно двома і трьома загальними електронними парами. Подвійний зв'язок складається з однієї σ- і однієї π-зв'язку, а потрійна - з однієї σ- і двох π-зв'язків (як бачимо, між двома атомами максимально може утворитися тільки одна σ-зв'язок і тільки дві π-зв'язку). Приклади структур молекул з різним числом одинарних і кратних зв'язків:
На рис. 4.4 докладно показано утворення зв'язків в молекулі азоту.
Мал. 4.4. Схема освіти потрійний зв'язку в молекулі азоту
Оскільки електронна хмара σ-зв'язку має циліндричної симетрією, навколо осі зв'язку з цим можливий вільний, що не руйнує зв'язок, обертання атомів або атомних груп. Однак навколо кратних зв'язків таке обертання неможливо, оскільки енергія обертального руху набагато менше, ніж енергія π-зв'язку. У разі алкенов це призводить до появи цис -, транс -ізомерів.
При осьовому перекривання АО електронна щільність в меж'ядерном просторі більше, ніж при бічному. Тому σ-зв'язку міцніше, ніж π-зв'язку, і саме з цієї причини утворюються в першу чергу.
Розрізняють ковалентні полярні і ковалентні неполярні хімічні зв'язки.
ковалентний неполярний зв'язок - це зв'язок між атомами неметалів з однаковою електронегативні (H 2, O 2, Cl 2, N 2 і т.д.). У молекулах з цим зв'язком електронна щільність зв'язку порівну розподілено між атомами (немає зарядових полюсів, зв'язок неполярная), тому атоми електронейтральні.
Ковалентний полярна зв'язок - це зв'язок між атомами неметалів з різною електронегативність. У разі таких молекул загальна електронна щільність зв'язку зміщена в бік атома з великим значенням χ. В результаті на атомі з меншим значенням χ виникає надлишковий частковий позитивний заряд, а на атомі з більшою електронегативність - такий же за величиною, але надлишковий негативний заряд δ - (H δ + -Cl δ-, P δ + -F δ-). Такі часткові заряди називаються ефективними.
Полярні молекули називаються диполями (мають два полюси - позитивний і негативний), умовно їх позначають у вигляді еліпса. Приклади полярних молекул: NH 3, SO 2, H 2 O, HCl, HF, HBr, HI.
Здатність електронного хмари зміщуватися до одного з пов'язаних атомів (поляризація) різна для σ- і π-зв'язків. Легше поляризується електронне хмара π-зв'язку, що робить істотний вплив на будову продуктів реакцій за участю алкенов (правило Марковникова).
Якісно оцінити ступінь полярності зв'язку можна, порівнюючи значення χ атомів, що утворили зв'язок: чим більше Δχ цих атомів, тим зв'язок більш полярна і тим більше величина часткових ефективних зарядів δ на атомах, що утворили зв'язок. Наприклад, зв'язок О-Н більш полярна, ніж N-H, так як χ (O)\u003e χ (N), а зв'язок H-F більш полярна, ніж зв'язок Н-О, оскільки χ (F)\u003e χ (O) .
Приклад 4.2. Вкажіть найменш полярну хімічний зв'язок в молекулах:
Рішення. Записуємо в ряд по зростанню електроотріцательностей χ атоми елементів, що утворюють зазначені речовини,
Довжина відрізків Δχ - це різниця електронегативності атомів, що утворили хімічний зв'язок: чим більше довжина відрізка, тим більше полярна зв'язок Н-Е, чим вона менша, тим менше полярна зв'язок Н-Е.
Бачимо, що довжина відрізка Δχ найменша в разі елемента фосфору. Таким чином, найменш полярна зв'язок Н-Р.
Відповідь: 4).
Полярність окремих зв'язків слід відрізняти від полярності молекули в цілому. При цьому потрібно керуватися наступними правилами:
а) двоатомних молекули з полярної зв'язком (СО, HF, NО) завжди полярні;
б) трьохатомні молекули типу A 2 B (H 2 O, CO 2, BeH 2, BeCl 2, SO 2, H 2 S) неполярні, якщо мають лінійну будову:
O \u003d C \u003d O H-Be-H Cl-Be-Cl
і полярні, якщо мають кутову будову:
в) четирехатомние молекули складу A 3 B неполярні, якщо мають форму правильного трикутника:
і полярні, якщо мають пірамідальну будову:
В силу високої симетрії неполярних молекули бензолу, метану і його тетрагалогенпроізводних з одним і тим же галогеном. Навпаки, моногалогенпроізводние бензолу, а також похідні метану з одним - трьома атомами одного і того ж галогену в молекулі будуть полярними.
11. У якому ряду перераховані речовини тільки з ковалентного полярної зв'язком:1) СН4 Н2 Сl2 2) NH3 HBr CO2 3) PCl3 KCl CCl4 4) H2S SO2 LiF
12. У якому ряду перераховані речовини тільки з іонним типом зв'язку:
1) F2O LiF SF4 2) PCl3 NaCl CO2 3) KF Li2O BaCl2 4) СаF2 CH4 CCl4
13. З'єднання з іонним зв'язком утворюється при взаємодії
1) CH4 і O2 2) NH3 і HCl 3) C2H6 і HNO3 4) SO3 і H2O
14. У якому речовині все хімічні зв'язки - ковалентні неполярні?
1) Алмаз 2) Оксид вуглецю (IV) 3) Золото 4) Метан
15. Зв'язок, що утворюється між елементами з порядковими номерами 15 і 53
1) іонна 2) металева
3) ковалентний неполярний 4) ковалентний полярна
16. Водневий зв'язок утворюється між молекулами
1) етану 2) бензолу 3) водню 4) етанолу
17. У якому речовині є водневі зв'язку?
1) Сірководень 2) Лід 3) бромоводород 4) Бензол
18.В якому речовині є одночасно іонні і ковалентні хімічні зв'язки?
1) Хлорид натрію 2) Хлороводень 3) Сульфат натрію 4) Фосфорна кислота
19. Більш виражений іонний характер має хімічний зв'язок в молекулі
1) броміду літію 2) хлориду міді 3) карбіду кальцію 4) фториду калію
20. Трьома загальними електронними парами утворена ковалентний зв'язок в молекулі 1) азоту 2) сірководню 3) метану 4) хлору
21.Сколько електронів бере участь в утворенні хімічних зв'язків в молекулі води? 1) 2 2) 3 3) 4 4) 18
22.Четире ковалентні зв'язки містить молекула: 1) СО2 2) С2H4 3) Р4 4) С3Н4
фтору? Перекриванням яких орбіталей вони утворені?
(З докладним рішенням!)
1) У молекулі Na2SO4 присутній хімічний зв'язок ...
а) тільки іонна
б) ковалентний полярний і неполярний
в) іонна і ковалентний полярна
г) іонна і ковалентний неполярний
2) Який хімічний зв'язок в поєднанні K2S
3) Скільки загальних електронних пар в молекулі азоту?
4) В якій з формул є подвійна хімічний зв'язок: S2; H2; N2; CI2?
1. Формула речовини з іонним зв'язком: A.HCI. Б. КВr. В.Р4. Г.СН3ОН. 2. Речовина з металевим зв'язком: А. Оксид калію. В. Кремній. Б. Мідь. Г.Гідроксид магнію. 3. Число загальних електронних пар в молекулі азоту: А. Одна. Б. Дві. У три. Г. Чотири. 4. Полярність хімічного зв'язку зменшується в ряду сполук, формули яких: A. CI2, H2S, С02. В. NH3, РН3, S02. Б. HCI, НВr, HI. Г. ВН3, NH3, HF. 5. Вид гібридизації електронних орбіталей атома сірки в молекулі сполуки, формула якого H2S: A. sp3. Б. sp2. В. sp. Г. Чи не гібридизувати. 6. Кристалічна решітка оксиду кремнію (IV): А. Атомна. В. Металева. Б. Іонна. Г. Молекулярна. 7. Число Сигма- і Пі зв'язків в молекулі етена: А. 6 Сигма і Пі - немає. В. 4 Сигма і 2 Пі. Б. 3 Сигма і 3 Пі. Г. 5 Сигма і 1 Пі 8. Речовини, формули яких СН2 \u003d СН-СН 2-СНЗ і СН2 \u003d С-СН3, - це: СНЗ А Гомологи. Б. Ізомери. В. Одне і те ж речовина. 9. гомологів речовини, формула якого СН 3-СН 2-СН 2-ОН, є: А. бутаналь. В. етаналь. Б. Бутанол-2. Г. Етанол. 10. Речовина, формула якого СНз- С \u003d СН2,. .. | СН3-СН2 А. 2-метилбутен-1. В. 2-етілпропен-2. Б. 2-етілпропен-1. Г. 2-метилбутен-2. . . . 11. Складіть схему утворення сполук, що складаються з хімічних елементів: А. Кальцію і фтору. Б. миш'як і водню. Вкажіть тип хімічного зв'язку в кожному з'єднанні. 12. Яку геометричну форму має молекула сполуки з ковалентним зв'язком із завдання 11? 13. Розташуйте сполуки, формули яких CH3NH2, NH3, C6H5NH2, C2H5NH2, в порядку зростання кислотних властивостей. Поясніть відповідь. 14. Складіть структурні формули не менше трьох можливих ізомерів речовин складу С4H8O2. Назвіть ці речовини. 15. Який об'єм кисню потрібно для повного згоряння 1 м3 пропану?